【摘要】為提高電驅(qū)動(dòng)總成在機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷環(huán)境下可靠性驗(yàn)證的效率，以三合一電驅(qū)動(dòng)總成為研究對(duì)象，綜合考慮電驅(qū)動(dòng)總成實(shí)際運(yùn)行工作環(huán)境及使用工況，分析了各子系統(tǒng)的失效機(jī)理和影響因素，并根據(jù)不同試驗(yàn)條件下的加速失效邏輯研究其加速過(guò)程及計(jì)算等效試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)。結(jié)果表明：加速后的壽命耐久試驗(yàn)方法可以為電驅(qū)動(dòng)總成可靠性驗(yàn)證提供支持。

關(guān)鍵詞：電驅(qū)動(dòng)總成 失效模式 耐久可靠性 加速壽命試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U467.3" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230084

Study on Durability Test Method of Three-in-One E-Axle

【Abstract】In order to improve the efficiency of reliability verification of the e-Axle under mechanical load and thermal load environment， this paper， taking the three-in-one e-Axle as the research object， analyzed the failure mechanism and influencing factors of each subsystem by comprehensively considering the actual operating environment and working conditions of the e-Axle， and studied the acceleration process and calculated equivalent test time according to the accelerated failure logic under different test conditions. The results show that the accelerated life endurance test method can support the reliability verification of the e-Axle.

Key words： E-Axle， Failure mode， Durability and reliability， Accelerated life test

1 前言

電驅(qū)動(dòng)總成作為電動(dòng)汽車的核心零部件之一，其可靠性直接決定了電動(dòng)汽車的整車可靠性及用戶駕駛感受[1]。因此，在電驅(qū)動(dòng)總成集成化過(guò)程中，需經(jīng)歷前期概念規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、測(cè)試驗(yàn)證等多個(gè)階段，高溫運(yùn)行耐久（High Temperature Operating Endurance，HTOE）、帶載溫度循環(huán)耐久（Power Thermal Cycle Endurance，PTCE）、機(jī)械疲勞耐久是電驅(qū)動(dòng)總成測(cè)試驗(yàn)證階段3個(gè)重要的壽命耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成承受熱應(yīng)力及機(jī)械應(yīng)力損傷驗(yàn)證具有重要的參考價(jià)值。

2 電驅(qū)動(dòng)總成結(jié)構(gòu)及其工作原理

純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)總成按照布置形式可分為分布式驅(qū)動(dòng)和集中式驅(qū)動(dòng)。分布式驅(qū)動(dòng)主要體現(xiàn)為輪轂驅(qū)動(dòng)，通過(guò)輪轂電機(jī)實(shí)現(xiàn)矢量控制，驅(qū)動(dòng)車輛行駛，該驅(qū)動(dòng)形式不需要變速器、傳動(dòng)軸等傳動(dòng)部件，效率及輕量化優(yōu)勢(shì)明顯。

集中式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、減速器三合一共殼體集成，與傳統(tǒng)分體結(jié)構(gòu)形式相比，更易于實(shí)現(xiàn)小型化，提升總成功率密度，如圖1所示：電機(jī)控制器將動(dòng)力電池中的直流電調(diào)制成正弦交流電，通過(guò)改變電壓、電流幅值控制電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速，電機(jī)端的扭矩通過(guò)轉(zhuǎn)子軸和減速器二級(jí)減速傳遞至差速器端并將扭矩分配給左、右車輪，以實(shí)現(xiàn)降速增扭，同時(shí)，電驅(qū)動(dòng)總成通過(guò)控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）模塊與整車控制單元通信，交互扭矩指令、旋轉(zhuǎn)方向和電橋狀態(tài)信息[2]。目前，主流純電動(dòng)乘用車動(dòng)力系統(tǒng)以集中式驅(qū)動(dòng)為主，故本文以三合一集成式電驅(qū)動(dòng)總成為研究對(duì)象，系統(tǒng)控制邏輯如圖2所示。

3 電驅(qū)動(dòng)總成失效形式分析

隨著功率電子器件應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在其整個(gè)壽命周期內(nèi)，三合一電驅(qū)動(dòng)總成失效模式分為電力電子器件、機(jī)械件的熱失效及機(jī)械應(yīng)力失效，具體包括[3]：

a. 因長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)岜┞叮姍C(jī)耐溫耐壓性能衰退，導(dǎo)致電機(jī)絕緣退磁失效；

b. 電機(jī)、電控系統(tǒng)在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力作用下會(huì)引起功率及電子器件老化失效，如焊接接頭開(kāi)裂及溫度變化過(guò)程中殼體材料因膨脹系數(shù)不同而引起的殼體開(kāi)裂及密封失效；

c. 電機(jī)、減速器在長(zhǎng)周期機(jī)械應(yīng)力作用下會(huì)引起疲勞失效，如軸承點(diǎn)蝕疲勞、軸類彎曲疲勞及齒輪點(diǎn)蝕/斷裂疲勞等。

4 電驅(qū)動(dòng)總成耐久試驗(yàn)方法

目前，各整車制造商對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成的耐久試驗(yàn)方法不盡相同，本文基于上述對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成各子系統(tǒng)失效模式的分析，制定了電驅(qū)動(dòng)總成各系統(tǒng)的耐久試驗(yàn)方法。

4.1 電機(jī)高溫耐久試驗(yàn)

電機(jī)高溫耐久試驗(yàn)是為了模擬車輛使用過(guò)程中因高溫?zé)岜┞对斐傻碾娖骷^緣老化及高溫退磁失效風(fēng)險(xiǎn)，其失效模式主要為HTOE[4]。

HTOE的失效機(jī)理為阿倫尼烏斯模型（Arrhenius Model），通?；谡嚮A(chǔ)工況和電驅(qū)動(dòng)總成設(shè)計(jì)壽命要求，仿真得到基礎(chǔ)工況下不同時(shí)刻轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電機(jī)定子繞組溫升曲線，如圖3所示，再根據(jù)該溫升曲線計(jì)算得到不同溫度下對(duì)應(yīng)的溫度分布情況，如圖4所示。

根據(jù)阿倫尼烏斯模型加速到目標(biāo)試驗(yàn)溫度及對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，以某車型單個(gè)循環(huán)工況為例，其加速過(guò)程為：

式中：AT，i為阿倫尼烏斯模型中對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)溫度TField，i的加速因子，表征加速應(yīng)力下產(chǎn)品壽命特征值與正常應(yīng)力下產(chǎn)品壽命特征值的比值，數(shù)值越大，加速過(guò)程越嚴(yán)苛；EA=0.45 eV為活化能；k=8.617×10-5 eV/K為玻爾茲曼常數(shù)；TTest為測(cè)試溫度，通常為定子過(guò)溫降功率閾值Tmax；TField，i為現(xiàn)場(chǎng)溫度，基于產(chǎn)品工作的溫度分布曲線取值。

利用式（1），根據(jù)基礎(chǔ)工況下定子溫度分布情況，通常將定子試驗(yàn)溫度加速至過(guò)溫降功率閾值175 ℃，計(jì)算出產(chǎn)品各工作溫度下的加速因子AT，i，如表1所示。

根據(jù)式（1）得到的產(chǎn)品各工作溫度下的加速因子，計(jì)算電機(jī)高溫耐久試驗(yàn)總的測(cè)試持續(xù)時(shí)間tTest：

式中：tope為現(xiàn)場(chǎng)工作持續(xù)時(shí)間，pi為該溫度下部件在現(xiàn)場(chǎng)的工作持續(xù)時(shí)間的百分比。

經(jīng)計(jì)算，tTest=980 h。

根據(jù)定子過(guò)溫降功率溫度限值分解出不同時(shí)刻電機(jī)臺(tái)架對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩工況點(diǎn)，生成如圖5所示的電機(jī)高溫耐久臺(tái)架試驗(yàn)譜，耐久試驗(yàn)過(guò)程中，臺(tái)架散熱模塊按照冷卻液溫度為65 ℃、流量為8 L/min的冷卻邊界持續(xù)對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成進(jìn)行散熱，使電機(jī)定子繞組始終在175 ℃環(huán)境中并持續(xù)運(yùn)行980 h，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)電機(jī)耐久臺(tái)架監(jiān)控待測(cè)試件（Device Under Test，DUT）振動(dòng)有無(wú)異常，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)DUT進(jìn)行功能檢查，復(fù)測(cè)電機(jī)絕緣性能、腔體及水道氣密性，同時(shí)根據(jù)下線（End of Line，EOL）測(cè)試工況點(diǎn)復(fù)測(cè)電機(jī)持續(xù)及峰值性能，確認(rèn)性能衰退偏差是否低于5%。

4.2 電驅(qū)動(dòng)總成高溫耐久試驗(yàn)

電驅(qū)動(dòng)總成高溫耐久試驗(yàn)是為了模擬車輛壽命周期內(nèi)電機(jī)、電控系統(tǒng)的熱暴露和機(jī)械應(yīng)力情況，驗(yàn)證因熱暴露（如擴(kuò)散、遷移和氧化）和機(jī)械應(yīng)力而發(fā)生的失效形式，其失效機(jī)理為阿倫尼烏斯模型，按照電驅(qū)動(dòng)總成在整車安裝區(qū)域的溫度分布狀態(tài)計(jì)算其加速過(guò)程，如表2所示。

根據(jù)表2中電驅(qū)動(dòng)總成安裝區(qū)域的溫度分布占比，將電驅(qū)動(dòng)總成工作環(huán)境溫度加速至恒溫90 ℃，根據(jù)式（1）計(jì)算出DUT安裝區(qū)域不同溫度下的加速因子，如表3所示。

根據(jù)表3計(jì)算出的各溫度下的加速因子及DUT產(chǎn)品壽命周期內(nèi)應(yīng)服役的工作時(shí)間（10 000 h），由式（2）得到電驅(qū)動(dòng)總成高溫耐久等效試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為1 228.8 h，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程按照冷卻液溫度為65 ℃、流量為8 L/min的冷卻邊界，基于1 h無(wú)負(fù)載和47 h額定負(fù)載工作模式交替運(yùn)行1 228.8 h，試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)電機(jī)耐久臺(tái)架監(jiān)控DUT振動(dòng)有無(wú)異常，試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)DUT進(jìn)行功能檢查，復(fù)測(cè)電機(jī)絕緣性能、腔體及水道氣密性，同時(shí)根據(jù)EOL測(cè)試工況點(diǎn)復(fù)測(cè)電機(jī)持續(xù)及峰值性能，確認(rèn)性能衰退偏差是否低于5%。

4.3 電驅(qū)動(dòng)總成帶載溫度循環(huán)試驗(yàn)

電驅(qū)動(dòng)總成帶載溫度循環(huán)耐久試驗(yàn)旨在驗(yàn)證DUT在溫度變化過(guò)程中因熱機(jī)械暴露及材料的不同膨脹系數(shù)而引起的殼體開(kāi)裂、密封失效及焊接接頭老化和開(kāi)裂，通過(guò)耐久試驗(yàn)保證部件在帶載運(yùn)行過(guò)程中的質(zhì)量和可靠性，其失效模式主要為絕緣老化和疲勞開(kāi)裂。

PTCE的失效機(jī)理為科芬-曼森（Coffin-Manson）模型，通?；跍y(cè)試循環(huán)內(nèi)的溫差及零部件安裝區(qū)域的平均溫差計(jì)算出加速因子，隨后依據(jù)加速因子及整個(gè)生命周期內(nèi)溫度循環(huán)次數(shù)計(jì)算得到總的試驗(yàn)循環(huán)數(shù)，并根據(jù)試驗(yàn)溫箱溫度變化率及樣件熱平衡時(shí)間得到試驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)，其加速過(guò)程為：

式中：ACM為科芬-曼森模型的加速因子，表征溫度交變應(yīng)力下產(chǎn)品壽命特征值與正常整車位置的溫度應(yīng)力下產(chǎn)品壽命特征值的比值，溫度交變工況下溫差范圍越大，加速因子越大，加速過(guò)程越嚴(yán)苛；ΔTTest為單個(gè)測(cè)試循環(huán)期間的溫差；ΔTField為車輛使用壽命周期內(nèi)，部件安裝區(qū)域環(huán)境溫度的平均溫差（機(jī)艙區(qū)域按照35 ℃計(jì)算）；C為科芬-曼森模型的參數(shù)，為固定值2.5。

電驅(qū)動(dòng)總成正常工作環(huán)境溫度一般為-40～85 ℃，分別定義正常工作最低環(huán)境溫度Tmin=-40 ℃、正常工作最高環(huán)境溫度Tmax=85 ℃，并代入式（3），經(jīng)計(jì)算，ACM=24.1。

所需測(cè)試循環(huán)總數(shù)NTest為：

式中：NTCF為現(xiàn)場(chǎng)車輛使用壽命期間的溫度循環(huán)次數(shù)（按照設(shè)計(jì)壽命15年，每天2個(gè)溫度循環(huán)等效）。

經(jīng)計(jì)算，NTest=454.3次。

單次測(cè)試循環(huán)的持續(xù)時(shí)間為：

式中：td為按照DUT在35 min達(dá)到熱平衡后并額外保持15 min得到的持續(xù)時(shí)間，λ=4 ℃/min為溫度變化速率。

經(jīng)計(jì)算，tCycle=162.5 min，故帶載溫度循環(huán)耐久試驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)可按照等效1 230.4 h持續(xù)運(yùn)行，試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)電機(jī)耐久臺(tái)架監(jiān)控DUT振動(dòng)有無(wú)異常，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)DUT進(jìn)行功能檢查，復(fù)測(cè)電機(jī)絕緣性能、腔體及水道氣密性，同時(shí)根據(jù)EOL測(cè)試工況點(diǎn)復(fù)測(cè)電機(jī)持續(xù)及峰值性能，確認(rèn)性能衰退偏差是否小于5%。

4.4 電驅(qū)動(dòng)總成機(jī)械耐久試驗(yàn)

電驅(qū)動(dòng)總成機(jī)械耐久試驗(yàn)旨在考核整個(gè)傳動(dòng)鏈上電機(jī)及減速器等機(jī)械件在整個(gè)壽命周期內(nèi)的機(jī)械應(yīng)力作用下引起的疲勞失效，其失效形式表現(xiàn)為高周疲勞作用下的齒根斷裂及齒面磨損/膠合、軸類零件剪切及彎曲應(yīng)力效應(yīng)，以及軸承磨損引起的疲勞斷裂?；谏鲜鍪问剑贫婒?qū)動(dòng)總成機(jī)械耐久臺(tái)架試驗(yàn)譜及等效試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)。

根據(jù)整車銷售區(qū)域及溫度分布占比，定義數(shù)據(jù)庫(kù)中不同的載荷譜權(quán)重并進(jìn)行排序，得到可覆蓋90%用戶使用需求的參考工況及電驅(qū)動(dòng)總成設(shè)計(jì)使用壽命周期內(nèi)的軸承、軸齒累積損傷指標(biāo)需求。根據(jù)參考工況下的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、運(yùn)行時(shí)間列表，基于疲勞損傷等效累積理論，提高基礎(chǔ)工況譜扭矩，濃縮成電驅(qū)動(dòng)總成無(wú)降功率工況下的臺(tái)架試驗(yàn)譜及試驗(yàn)周期內(nèi)對(duì)應(yīng)的循環(huán)數(shù)，以保證電機(jī)及減速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足90%用戶對(duì)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)壽命及機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)疲勞的使用需求，試驗(yàn)過(guò)程中持續(xù)監(jiān)控DUT運(yùn)行狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)DUT進(jìn)行功能檢查，復(fù)測(cè)電機(jī)絕緣性能、腔體及水道氣密性，同時(shí)根據(jù)EOL測(cè)試工況點(diǎn)復(fù)測(cè)電機(jī)持續(xù)及峰值性能，確認(rèn)性能衰退偏差小于5%，功能檢查完成后拆解DUT，確認(rèn)軸齒、軸承是否有疲勞點(diǎn)蝕失效。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某三合一集成式電驅(qū)動(dòng)總成為研究對(duì)象，基于對(duì)電子/電氣原件熱負(fù)荷失效模式分析，針對(duì)電機(jī)繞組和永磁體長(zhǎng)時(shí)間過(guò)溫引起的絕緣和退磁失效風(fēng)險(xiǎn)，選定電機(jī)高溫耐久試驗(yàn)作為可靠性驗(yàn)證方法，并給出了加速壽命試驗(yàn)計(jì)算過(guò)程，針對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成壽命周期內(nèi)因機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力累加產(chǎn)生的失效風(fēng)險(xiǎn)，提出了電驅(qū)動(dòng)總成相應(yīng)失效模式下的高溫運(yùn)行耐久及帶載溫度循環(huán)驗(yàn)證方法，同時(shí)給出了加速壽命試驗(yàn)計(jì)算過(guò)程，定義了試驗(yàn)過(guò)程中臺(tái)架溫度要求及試驗(yàn)結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成運(yùn)行過(guò)程中不同的失效形式，綜合使用4種耐久試驗(yàn)方法能夠保證電驅(qū)動(dòng)總成試驗(yàn)驗(yàn)證更加充分、有效。

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